JP7627081B2 - スピーカ - Google Patents

Description

本発明は、振動板とボビンを有する振動部の動作を磁気センサで検知することができるスピーカに関する。

音響装置における従来のスピーカは、アンプから出力されるオーディオ信号をそのまま受け入れて音圧を再生する処理を行うだけであり、スピーカ自らがオーディオ信号に合わせた制御動作を行っていなかった。そのため、発音に歪が発生しやすく、音質のばらつきが生じやすかった。さらには、振動板の振幅が過大になったときに、振動板やダンパーなどが破損することもあった。

上記の問題を解決するために、特許文献１には、磁気センサによって振動板の動きを検知してフィードバック制御を行うスピーカシステムが記載されている。

このスピーカシステムは、磁気回路部を構成するプレートのボイスコイルとの対向部に磁気センサであるホール素子が支持され、磁気回路部のギャップ内の有効磁束密度がホール素子により検出され、その検出信号が増幅されてパワーアンプにフィードバックされる。パワーアンプからボイスコイルに駆動電流が与えられボイスコイルとともにボビンが振動すると、ギャップ内の有効磁束密度が、ボイスコイルに流れる電流およびボイスコイルに生じる逆起電力によって変化する。この有効磁束密度の変化をホール素子で検知しパワーアンプにフィードバックすることで、ボイスコイルに与えられる駆動電流の歪分が補正される。

特開昭５７－１８４３９７号公報

特許文献１に記載されたスピーカシステムのフィードバック制御には、検知素子として光学検知素子やコイルなどよりも小型の素子であるホール素子が使用されているため、スピーカの寸法が過大になるのを防止でき、消費電力が増大するのも防止することができる。しかしながら、磁気回路部のギャップの有効磁束密度の変化をホール素子で検出する方式は、ボイスコイルやボビンの動きを直接に検知できないため、音の歪や音質のばらつきなどを高精度に補正することが難しい。

また、特許文献１のスピーカシステムは、プレートのボイスコイルと対面する面にホール素子を埋め込む構造であるため、ホール素子の取付け構造が複雑であり、組み立て作業も非効率的である。また、仮に前記ホール素子をプレートの図示上面に取り付けると、磁気回路部のギャップの有効磁束密度の変化を十分に検知することができず、また振動する振動板やこれを支持しているダンパー部材がホール素子に当たりやすくなる課題も生じる。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、振動部の振動を高精度に検知することができるスピーカを提供することを目的としている。

本発明は、フレームと、前記フレームに支持された振動部と、前記振動部を駆動する磁気駆動部と、前記振動部の動きを検知する検知部と、が設けられたスピーカにおいて、
前記振動部が、前記フレームに振動自在に支持された振動板と前記振動板に固定されたボビンとを有し、前記磁気駆動部が、前記ボビンに固定されたボイスコイルと、前記ボイスコイルを横断する磁束を形成する磁気回路部と、を有しており、
前記検知部が、前記振動部に固定された可動磁石と、前記可動磁石から発せられる磁束を検知する磁気センサと、を有し、
前記磁気回路部を構成するセンターヨークの端面に基台が固定され、前記磁気センサが、前記ボビンで囲まれた空間内であって前記端面から離れる位置で前記基台に固定されていることを特徴とするものである。

本発明のスピーカは、前記磁気回路部を構成するセンターヨークに、前記振動部の振動方向である前後方向に貫通する穴が形成されており、前記磁気センサに接続された配線ケーブルが、前記穴を通過して前記磁気回路部の外部に引き出されていることが好ましい。

また、本発明のスピーカは、前記磁気回路部から前記磁気センサに与えられる磁束の向きと、前記可動磁石から前記磁気センサに与えられる磁束の向きとが交差しており、
前記磁気センサによって、前記２つの磁束の合成ベクトルの向きの変化に基づく検知出力が得られることが好ましい。

さらに、本発明のスピーカでは、前記可動磁石は、前記ボビンの外側に設けられていることが好ましい。

本発明のスピーカは、振動部に設けられた可動磁石からの磁束を、磁気センサで検知しているため、振動部の動きを直接に検知することができる。そのため、振動部の動作を補正する高精度なフィードバック制御が可能になる。また、磁気センサで、磁気回路部からの駆動用磁束と可動磁石からの可動磁束の合成ベクトルの磁場の変化に基づく検知出力を得ることにより、磁気回路部から発生する駆動用磁束の強弱に影響されることなく、振動部の動きを高精度に検知することが可能になる。

また、磁気センサを、ボビンで囲まれた空間内に配置することで、磁気センサを、ボビンの外側で前後に振動するダンパー部材などの影響を受けることなく配置でき、磁気センサの配置の自由度を確保できる。例えば、磁気センサを磁気回路部から離れた位置に配置して、可動磁石との距離を接近させることができる。また、磁気センサを磁気回路部から離して配置することで、可動磁石もボイスコイルから離れた位置に配置することができ、可動磁石をボビンの外側に配置した場合に、振動部が振動したときに、可動磁石が磁気回路部に当たるのも防止しやすくなる。

本発明の第１実施形態のスピーカの半断面斜視図、 第１実施形態のスピーカの半断面図、 本発明の第２実施形態のスピーカの半断面図、 本発明の第３実施形態のスピーカの半断面図、

図１と図２に示される本発明の第１実施形態のスピーカ１はＺ１―Ｚ２方向が前後方向であり、Ｚ１方向が前方で発音方向、Ｚ２方向が後方である。図１と図２には、前後方向（Ｚ１－Ｚ２方向）に延びる中心軸中心軸Ｏが示されている。スピーカ１の主要部は、中心軸Ｏを中心とするほぼ回転対称な構造である。図１には、中心軸Ｏと直交する平面において互いに直交するＸ軸とＹ軸が示されている。Ｘ軸は、磁気回路部１０で形成される駆動用磁束Ｆ１のうち磁気センサ２２で検知しようとする磁場Ｈ１の向きに一致している。Ｙ軸は、可動磁石２１で形成される可動磁束Ｆ２のうち磁気センサ２２で検知しようとする磁場Ｈ２の向きに一致している。

図１と図２に示されるスピーカ１はフレーム２を有している。フレーム２は、非磁性材料または磁性材料で形成されており、前方（Ｚ１方向）に向けて直径が徐々に広がるテーパ形状である。フレーム２の後部に磁気回路部１０が接着やねじ止めなどの手段で固定されている。磁気回路部１０は、中心軸Ｏを中心とするリング状の駆動用磁石１１と、駆動用磁石１１の前方に接合されたリング状の対向ヨーク１２と、駆動用磁石１１の後方に接合された後方ヨーク１３を有している。後方ヨーク１３にはセンターヨーク１４が一体に形成されている。センターヨーク１４は、駆動用磁石１１と対向ヨーク１２の内側に位置し、後方ヨーク１３から前方（Ｚ１方向）に隆起して形成されている。なお、センターヨーク１４が後方ヨーク１３と別体に形成され、後方ヨーク１３とセンターヨーク１４とが接合されていてもよい。センターヨーク１４には、前後方向（Ｚ１－Ｚ２方向）に向けて貫通する穴１５が形成されている。対向ヨーク１２と後方ヨーク１３およびセンターヨーク１４は磁性材料、すなわち磁性金属材料で形成されている。

センターヨーク１４は円柱状であり、その外周面と、対向ヨーク１２の内周面との間に、中心軸Ｏを中心とする円周に沿って磁気ギャップＧが形成されている。磁気回路部１０では、駆動用磁石１１から発せられた駆動用磁束Ｆ１が、対向ヨーク１２から磁気ギャップＧを横断してセンターヨーク１４と後方ヨーク１３を周回する。

フレーム２の前方部分の内側に振動板３が設けられている。振動板３は円錐状のいわゆるコーン形状である。フレーム２の前端周囲部２ａと振動板３の外周端３ａは、弾性変形可能なエッジ部材４を介して接合されている。エッジ部材４と前端周囲部２ａおよびエッジ部材４と外周端３ａとは接着剤で固定されている。フレーム２の中腹部の内面に内周固定部２ｂが形成されており、断面がコルゲート形状の弾性変形可能なダンパー部材５の外周部５ａが内周固定部２ｂに接着剤により固定されている。

フレーム２の内部にボビン６が設けられている。ボビン６は、中心軸Ｏを中心とする円筒形状である。振動板３の内周端３ｂはボビン６の外周面に接着剤で固定されており、ダンパー部材５の内周部５ｂも接着剤によってボビン６の外周面に固定されている。振動板３の中心部には前方に向けて隆起するドーム形状のキャップ８が設けられている。キャップ８は、ボビン６の前方の開口部を覆っており、キャップ８の周縁部８ａが振動板３の前面に接着剤を介して固定されている。

ボビン６の後端部では、その外周面にボイスコイル７が設けられている。ボイスコイル７を構成する被覆導線は、ボビン６の外周面において所定のターン数で巻かれている。ボイスコイル７は、磁気回路部１０の磁気ギャップＧ内に位置している。磁気回路部１０とボイスコイル７とで、磁気駆動部が構成されている。

振動板３とボビン６は、エッジ部材４とダンパー部材５の弾性変形により、前後方向（Ｚ１－Ｚ２方向）に振動自在に支持されている。振動板３とキャップ８およびボビン６とボイスコイル７が、フレーム２内で前後方向に振動する振動部を構成している。

スピーカ１には、可動部の振動を検知する検知部（振動検知部）２０が設けられている。検知部２０は可動磁石２１と磁気センサ２２とで構成されている。可動磁石２１はボビン６の外周面でダンパー部材５の内周部５ｂの接着箇所よりも後方に設けられている。可動磁石２１はダンパー部材５の外周面に接着されて固定されている。磁気センサ２２は、ボビン６の内側の空間内に設けられている。センターヨーク１４の前端面１４ａに基台２３が接着されて固定されている。基台２３は、合成樹脂などの非磁性材料で形成されたブロック形状または板形状である。この基台２３に配線基板２４が固定されており、配線基板２４に磁気センサ２２が実装されている。配線基板２４は基台の一部を構成しており、これら基台によって、磁気センサ２２が、センターヨーク１４の前端面１４ａから前方に離れた位置に配置されている。配線基板２４には、磁気センサ２２に導通する配線ケーブル２５が接続されている。配線ケーブル２５は、センターヨーク１４の穴１５の内部を通過して、磁気回路部１０の後方の外部に引き出されている。

図１と図２は、スピーカ１を、中心軸Ｏを含むＸ－Ｚ平面と平行な切断面で切断した断面を示している。可動磁石２１の中心と磁気センサ２２の中心は、中心軸Ｏを含む同じ断面内に位置している。その結果、磁気回路部１０で形成される駆動用磁束Ｆ１は、磁気センサ２２に対し半径方向（Ｘ方向）に作用する。図１に示されるように、可動磁石２１は、着磁された端面２１ａが、ボビン６の接線方向（Ｙ方向と平行な方向）に向けられ、２つの端面２１ａが互いに逆極性に着磁されている。その結果、可動磁石２１により生成される可動磁束Ｆ２は、磁気センサ２２に対し、ボビン６のほぼ接線方向（Ｙ方向と平行な方向）に作用する。

磁気センサ２２は、中心軸Ｏと直交し磁気センサ２２の中心を通る平面（Ｘ－Ｙ平面と平行な平面）において、ベクトル量である磁場の向きの変化を検知できる。磁気回路部１０で生成される駆動用磁束Ｆ１は、磁気センサ２２に対して半径方向（Ｘ方向）に作用する。図１には、駆動用磁束Ｆ１に基づいて磁気センサ２２に作用するベクトル量である磁場がＨ１で示されている。可動磁石２１で生成される可動磁束Ｆ２は、磁気センサ２２にＹ方向に作用する。図１には、可動磁束Ｆ２に基づいて磁気センサ２２に作用するベクトル量である磁場がＨ２で示されている。磁気センサ２２は、磁場Ｈ１と磁場Ｈ２との合成ベクトルである検知磁場Ｈｄの向きを検知する。磁気センサ２２と磁気回路部１０の相対位置は変化しないため、磁気センサ２２に作用する磁場Ｈ１の強さは変化しない。これに対し、可動部の前後方向（Ｚ１－Ｚ２方向）の振動に伴って磁気センサ２２で検知される磁場Ｈ２の強さが変化する。そのため、合成ベクトルである検知磁場Ｈｄの向き（中心軸Ｏと直交する平面内での角度）θは、可動部の振動に応じて変化する。

磁気センサ２２は、少なくとも１つの磁気抵抗効果素子を有している。磁気抵抗効果素子は、固定磁性層とフリー磁性層を有するＧＭＲ素子またはＴＭＲ素子である。固定磁性層の磁化の向きが固定され、フリー磁性層の磁場の向きが検知磁場Ｈｄの向きの変化に追従し、固定磁性層の固定磁場とフリー磁性層の磁化との相対角度の変化に応じて電気抵抗値が変化する。または、磁気センサ２２として、２個のホール素子を、中心軸Ｏと直交する平面内で検知方向を交差させ、好ましくは直交させて配置することによっても、検知磁場Ｈｄの向きθの変化を検知することが可能である。この場合、一方のホール素子で磁場Ｈ１の強さを検知し、他方のホール素子で磁場Ｈ２の強さを検知することで、検知磁場Ｈｄのベクトルの向きの変化に基づく検知出力を得ることができる。

次に、スピーカ１の発音動作を説明する。
発音動作では、オーディオアンプから出力されたオーディオ信号に基づいてボイスコイル７に駆動電流が与えられる。磁気回路部１０から発せられる駆動用磁束Ｆ１がボイスコイル７を横断するため、駆動用磁束Ｆ１と駆動電流とで励起される電磁力により、ボビン６と振動板３を含む振動部が前後方向に振動して、駆動電流の周波数に応じた音圧が発生し、前方に向けて音が発せられる。

スピーカ１に併設された制御部では、磁気センサ２２からの検知出力に基づいてフィードバック制御が行われる。磁気センサ２２で検知磁場Ｈｄの向きθの変化を検知することで、制御部では、振動板３を含む振動部の前後方向の位置およびその変化を知ることができる。例えば、制御部では、オーディオ信号の印加により想定される振動部の前後方向の理想的な位置およびその変化と、磁気センサ２２の検知出力から判定される振動部の実際の位置およびその変化とのずれ量が演算され、ずれ量がしきい値を超えたら、ずれ量を補正する補正信号(オフセット信号)が生成される。ボイスコイル７に与えられる駆動信号（ボイス電流）に前記補正信号が重畳され、このフィードバック制御により、スピーカ１による発音の歪みや音ずれなどが補正され、さらには、振動板３が前後方向に過振動するのを防止することができる。

磁気センサ２２は、磁気回路部１０からの駆動用磁束Ｆ１と可動磁石２１からの可動磁束Ｆ２の双方から得られる検知磁場Ｈｄのベクトルの角度変化から振動部の位置を検知している。すなわち、磁気回路部１０からの駆動用磁束Ｆ１を使用して検知出力を得ているため、駆動用磁束Ｆ１が可動部の位置検知の妨げにならず、駆動磁束Ｆ１がノイズの原因となることもなく、常に高精度で高感度のフィードバック制御を行なうことができる。

図１と図２に示される第１実施形態のスピーカ１では、磁気センサ２２がボビン６で囲まれた空間内に位置している。そのため、磁気センサ２２の前後方向（Ｚ１－Ｚ２方向）の位置を最適となるように自由に設定できる。例えば、基台２３（配線基板２４も実質的な基台である）を設けることで、磁気センサ２２を、センターヨーク１４の前端面１４ａから前方に離す位置に配置することができ、磁気センサ２２と可動磁石２１の前後方向の距離を短くすることができる。この距離を短くすることで、可動磁石２１から発せられる可動磁束Ｆ２を磁気センサ２２で検知しやすくなり、可動部の振動を高感度で検知できるようになる。また、磁気センサ２２をセンターヨーク１４の前端面１４ａから前方へ離して配置すると、可動磁石２１も磁気回路部１０から前方（Ｚ１方向）へ離して配置できるようになる。そのため、可動部の振幅が前後に大きくなっても、可動磁石２１が磁気回路部１０に当たりにくくなる。

また、磁気センサ２２がボビン６で囲まれた空間内に位置し、可動磁石２１がボビン６の外面に位置していると、振動部の振幅が大きくなって、可動磁石２１とダンパー部材５とが図２において（ｍ）で示す位置まで大きく後退しても、可動磁石２１やダンパー部材５が磁気センサ２２と当たるのを防止できるようになる。

以上から、振動板３を含む振動部の前後方向の振幅を大きくでき、発音出力を高めることが可能になる。

図３に本発明の第２実施形態のスピーカ１０１が示されている。
スピーカ１０１には、複数の磁気センサが設けられている。実施形態としては２つの磁気センサ２２，３２が設けられている。２つの磁気センサ２２，３２の中心および可動磁石２１の中心は、中心軸Ｏを含む同じ断面内に位置している。磁気センサ２２と磁気センサ３２は、前後方向（Ｚ１－Ｚ２方向）に間隔を空けて基台２３に支持されており、共にセンターヨーク１４の前端面１４ａよりも前方へ離れた位置に配置されている。

図３に示されるスピーカ１０１では、前後に距離を空けて配置した２つの磁気センサ２２，３２のそれぞれが可動磁石２１からの可動磁束Ｆ２を検知できるため、可動部の前後方向の検知レンジを広げることができる。磁気センサは、図１に示される合成ベクトルの検知磁場Ｈｄの向きθの変化を検知するものであるため、可動磁石２１が磁気センサから前方へ大きく離れ磁場Ｈ２が微小になると検知磁場Ｈｄの向きを示す角度θがほぼゼロになって、さらに前方に移動する可動磁石２１の位置を検知できなくなる。また、可動磁石２１が磁気センサよりも後方（Ｚ２方向）へ移動してしまうと、磁場Ｈ２の向きが反転するために磁気センサ２２による角度θの検知が不能になる。したがって、１つの磁気センサによって可動磁石２１の前後方向への位置を検知するレンジには限界がある。しかし、図３に示されるように、複数の磁気センサ２２，３２を前後方向に離して配置することで、可動部の前後方向の検知レンジを広く確保することが可能になる。

図４に本発明の第３実施形態のスピーカ２０１が示されている。
このスピーカ２０１は、磁気回路部のセンターヨーク１４の前方にフェイズプラグ４１が固定されている。フェイズプラグ４１に配線基板２４が固定されており、配線基板２４に磁気センサ２２が実装されている。この実施形態では、配線基板２４以外の基台２３を用いなくても、ボビン６で囲まれた空間内で、磁気センサ２２をセンターヨーク１４の前端部１４ａから前方に離れた位置に配置することができる。なお、フェイズプラグ４１の代わりに、センターヨーク１４の前方にツイータを固定し、ツイータに磁気センサ２２を固定することもできる。

図４に示されるスピーカ２０１においても、複数の磁気センサ２２，３２を設けることが可能であり、また可動磁石２１を複数設けることも可能である。

１，１０１，２０１ スピーカ
２ フレーム
３ 振動板
６ ボビン
７ ボイスコイル
１０ 磁気回路部
１４ センターヨーク
１５ 穴
２０ 検知部
２１ 可動磁石
２２，３２ 磁気センサ
２５ 配線ケーブル
４１ フェイズプラグ
Ｆ１ 駆動用磁束
Ｆ２ 可動磁束
Ｈ１，Ｈ２ 磁場
Ｈｄ 検知磁場
Ｏ 中心軸

Claims (4)

1. フレームと、前記フレームに支持された振動部と、前記振動部を駆動する磁気駆動部と、前記振動部の動きを検知する検知部と、が設けられたスピーカにおいて、
   前記振動部が、前記フレームに振動自在に支持された振動板と前記振動板に固定されたボビンとを有し、前記磁気駆動部が、前記ボビンに固定されたボイスコイルと、前記ボイスコイルを横断する磁束を形成する磁気回路部と、を有しており、
   前記検知部が、前記振動部に固定された可動磁石と、前記可動磁石から発せられる磁束を検知する磁気センサと、を有し、
   前記磁気回路部を構成するセンターヨークの端面に基台が固定され、前記磁気センサが、前記ボビンで囲まれた空間内であって前記端面から離れる位置で前記基台に固定されていることを特徴とするスピーカ。
2. 前記磁気回路部を構成するセンターヨークに、前記振動部の振動方向である前後方向に貫通する穴が形成されており、前記磁気センサに接続された配線ケーブルが、前記穴を通過して前記磁気回路部の外部に引き出されている請求項１記載のスピーカ。
3. 前記磁気回路部から前記磁気センサに与えられる磁束の向きと、前記可動磁石から前記磁気センサに与えられる磁束の向きとが交差しており、
   前記磁気センサによって、前記２つの磁束の合成ベクトルの向きの変化に基づく検知出力が得られる請求項１または２記載のスピーカ。
4. 前記可動磁石は、前記ボビンの外側に設けられている請求項１ないし３のいずれかに記載のスピーカ。

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